KR20220121628A - 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 다중 구조 슈퍼 캐패시터와, 이를 이용한 인쇄 전자 장치 - Google Patents

롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 다중 구조 슈퍼 캐패시터와, 이를 이용한 인쇄 전자 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 다중 구조 슈퍼 캐패시터와, 이를 이용한 인쇄 전자 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법은, 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아(Roll-to-roll gravure) 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 하부 전극을 인쇄하는 단계, 제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 상부 전극을 인쇄하는 단계, 및 전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 인쇄하는 단계를 포함한다.

Description

롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 다중 구조 슈퍼 캐패시터와, 이를 이용한 인쇄 전자 장치{Method for manufacturing multi-structure super capacitor using continuous roll-to-roll gravure printing, multi-structure super capacitor, and printed electronic device using the same}
본 발명은 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 다중 구조 슈퍼 캐패시터와, 이를 이용한 인쇄 전자 장치에 관한 것이다.
Si칩을 포함하는 하이브리드 타입의 인쇄 전자 디바이스와 달리 순수 인쇄 기반 전자 디바이스는 그 제조 방법이 까다로울 뿐 아니라 전자잉크, 인쇄 공정 및 열처리 공정 등 여러 가지의 변수가 필히 고려되어져야 하는 복합적인 융합기술이다.
근래에 대량생산이 가능한 R2R (Roll-to-Roll) 그라비아 인쇄장비를 이용하여 다양한 전자 디바이스(트랜지스터, 캐패시터, 저항 등)를 제조하는 사례가 늘어 나고 있으며, 특히 이를 스마트폰과 연동하는 사례가 늘고 있다. 스마트폰과 연동하여 다양한 환경 변수(온도, 습도)를 단순이 읽고 이를 기록하는 수준에서 벗어나 스마트폰과 직접적인 연동을 통하여 정보를 얻거나 줄 수 있는 능동형 태그도 제안되고 있다.
이에 배터리로 구동하는 인쇄전자 디바이스의 경우, 배터리 수명문제로 인하여 오랜 시간 사용할 수 없는 문제점과 함께 유연성의 한계로 인하여 굴곡이 있는 표면에 부착하기 어려운 문제점을 가지고 있다. 2차 전지를 활용하는 방안이 있으나 충전의 필요성과 굴곡 있는 표면에 부착하기 힘들다는 단점을 가진다. 슈퍼 캐패시터 (super capacitor)는 2차 전지와 달리 전극과 전해질 계면으로의 이온 이동에 의해 축적하는 방식으로 높은 출력과 빠른 충방전속도, 우수한 싸이클 특성을 가지며 긴 수명 및 높은 충방전 효율을 보인다.
하지만 현재 기술 수준으로 슈퍼 캐패시터는 리튬이온전지에 비하여 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지며 이를 인쇄형으로 구현하기 힘들다는 문제점을 가진다. 또한 충분한 에너지 밀도를 주기 위해서는 충분한 크기와 두께를 가져야 함으로써 소형 또는 초소형 디바이스에 적용하는데 어렵다. 슈퍼 캐패시터를 스마트폰의 NFC(Near Field Communication)과 연동하여 디바이스로 전원을 공급하기 위해서는 스마트폰의 NFC 신호를 받는 안테나 부분과 함께 DC 전압으로 변환하는 정류기 부분과 함께 제안되어야 한다. 효율적인 전원관리를 위하여 대부분의 스마트폰의 NFC 신호의 경우 13.56 MHz 주파수 송출이 불연속적인 형태를(8 mS는 신호 송출, 2 S 동안은 정지상태) 가짐에 따라 전압을 안정적으로 보관하고 이를 디바이스로 공급하기 위해서는 높은 정전용량을 요구하게 된다. 종래에 제안된 인쇄형 슈퍼 캐패시터의 경우 높은 용량을 보관하기 위하여 크기가 증가하며 두께 또한 증가하게 되며 연속 R2R 그라비아 인쇄방식이 아닌 스크린 인쇄와 같은 방식으로 단일 인쇄로 제조한 경우가 많다.
본 발명의 실시예들은 인쇄전자 방식으로 제조되면서도 높은 정전용량을 갖는 소형 사이즈의 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터의 제조 방법과, 이에 최적화된 전자 잉크 제조 및 인쇄 방법을 이용한 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 제조된 인쇄 슈퍼 캐패시터에 연동하는 인쇄 디바이스 응용 방법에 따른 인쇄 전자 장치를 제공하며 스마트폰의 NFC로부터 안정적인 DC 구동전압을 확보하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 R2R 그라비아 인쇄를 통해 대량으로 빠른 시간에 제조가 가능하며 스마트폰의 NFC로부터 인쇄 전자 디바이스 (링오실레이터, NOT GATE, OR GATE 등)를 구동할 수 있는 디자인 및 그 제조 방법에 대하여 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아(Roll-to-roll gravure) 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 하부 전극을 인쇄하는 단계; 제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 상부 전극을 인쇄하는 단계; 및 전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 인쇄하는 단계를 포함하는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 제1 전도성 잉크는, 전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 PEDOT 전도성 잉크는, 잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 제2 전도성 잉크는, 전도성 카본(Carbon) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는, 잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가질 수 있다.
상기 전해질 잉크는, PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 하부 전극; 제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 상부 전극; 및 전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 포함하는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터가 제공될 수 있다.
상기 제1 전도성 잉크는, 전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 PEDOT 전도성 잉크는, 잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 제2 전도성 잉크는, 전도성 카본(Carbon) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는, 잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가질 수 있다.
상기 전해질 잉크는, PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 인쇄 전자 디바이스; 불연속적인 근거리 무선 통신 신호를 수신하는 인쇄 안테나; 상기 수신된 근거리 무선 통신 신호를 직류 전압으로 변환하는 인쇄 정류기 및 인쇄 캐패시터; 및 상기 변환된 직류 전압을 저장하고 상기 저장된 직류 전압을 상기 인쇄 전자 디바이스에 공급하여 상기 인쇄 전자 디바이스를 구동시키는 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 포함하고, 상기 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터는, 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 하부 전극과, 제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 상부 전극과, 전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 포함하는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 전도성 잉크는, 전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 은(Ag) 잉크는, 잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 PEDOT 전도성 잉크는, 잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가질 수 있다.
상기 제2 전도성 잉크는, 전도성 카본(Carbon) 잉크일 수 있다.
상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는, 잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가질 수 있다.
상기 전해질 잉크는, PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예들은 인쇄전자 방식으로 제조되면서도 높은 정전용량을 얻을 수 있는 인쇄 슈퍼 캐패시터와 이를 인쇄 전자 디바이스에 연동하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 R2R 그라비아 또는 R2P(Roll-to-plate) 및 S2S(Sheet to sheet) 스크린 인쇄를 통해 낮은 단가로 단시간에 대량으로 제조가 가능하며, 이를 5개 이상의 직렬로 연결하게 되면 출력 전압 10V 이상을 전압을 저장할 수 있으며, 조합에 따라서 ±10 V 혹은 +20 V의 전압을 안정적으로 인쇄 전자 디바이스에 제공 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다중 구조 슈퍼 캐패시터를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 실제로 제조된 R2R 인쇄 공정의 롤 이미지 및 상세 이미지와, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 중첩 정밀도에 따른 슈퍼 캐패시터 인쇄 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ag 잉크 및 카본 잉크에 대한 물성 특성 이미지를 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 실제로 제조된 R2R 인쇄 슈퍼 캐패시터의 SEM 단면도 이미지를 나타낸 도면이다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 R2R 인쇄 슈퍼 캐패시터의 산화 환원 특성 그래프, 충방전 그래프 및 임피던스 그래프를 나타낸 도면이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터를 포함한 구동 전자 디바이스의 전체 회로도 및 그 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 안테나와 정류기를 포함하는 슈퍼 캐패시터의 출력 전압 이미지를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들이 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용한 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 판례, 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예는 롤투롤(R2R) 그라비아 인쇄와 최적화된 그라이바용 잉크를 이용하여 다중 구조의 인쇄 슈퍼캐패시터 제조 방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 R2R 그라비아 연속 인쇄방식으로 제작되는 다중 구조의 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 그에 연동하는 인쇄 디바이스 구동 및 응용에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 연속적인 R2R 그라비아 인쇄 공정에 따라 슈퍼 캐패시터가 제조되며, 이 경우 초저가 대량으로 양산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전도성 Ag 잉크(혹은 PEDOT 전도성 잉크)를 이용하여 PET 필름 위에 전극의 하부를 인쇄하는 단계: 상기 인쇄된 하부 전극 위에 전도성 카본 (Carbon) 잉크를 이용하여 상부 전극을 인쇄하는 단계: 및 상기 인쇄된 상부 전극 위에 PVA 를 포함하는 전해질 잉크를 이용하여 전해질 층을 인쇄하는 단계를 포함하는, R2R 인쇄 기반 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 하부 전극 인쇄에 사용하는 Ag 잉크는 Ag 나노파티클를 기반으로 하는 전도성 잉크일 수 있으며 PEDOT 전도성 잉크일 수 있다.
상기 Ag 전도성 잉크는 점도 800 내지 1,000 cP (centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가짐을 특징으로 한다. 상기 PEDOT 전도성 잉크는 점도 10-30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가짐을 특징으로 한다.
상기 상부 전극 인쇄에 사용되는 카본 잉크의 경우 전도성을 가지며 점도 1600 내지 1800 cP 와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가짐을 특징으로 한다.
상기 전해질 잉크는 PVA를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합 함으로써 얻을 수 있으며, 경우에 따라서 PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태의 전해질일 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는, R2R 그라비아를 통하여 인쇄 슈퍼 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서, 하부 전극을 Ag 잉크로, 상부 전극을 카본 잉크로 사용하고 그 위에 전해질 잉크를 이용하여 슈퍼 캐패시터를 적층을 통하여 제조 하는 방법; 및 이를 유연 필름에 기반하여 R2R 그라비아 인쇄장비를 통하여 잉크를 최적화하고 이를 인쇄하여 제조 하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 카본 전극을 Ag 전극 위에 정밀 중첩 인쇄함으로써 Ag 전극의 임의적인 산화를 방지하고 높은 전기용량을 줄 수 있는 3층의 샌드위치 타입으로 슈퍼 캐패시터를 구성하는 방법 및 이에 대한 그라비아용 전자 잉크 포뮬레이션 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 상기 하부 전극인 PEDOT 층을 전류 수집층 (current collector)으로 이용하여 슈퍼 캐패시터 구조를 형성하는 단계 및 이를 R2R 그라비아를 통하여 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 높은 용량 및 유연성을 가지는 슈퍼 캐패시터 제조에 있어서 다층의 인쇄 구조와 R2R 인쇄에 적합한 인쇄 디자인 패턴(원형 및 사각형 인쇄 패턴) 및 이를 R2R 그라비아에 적용하여 인쇄하는 단계 및 최적화된 잉크 제조 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용하여 10V 이상의 안정적인 DC 전압을 스마트폰의 NFC로부터 발진하는 전체 회로도 및 응용 방법, 스마트폰의 NFC 신호로부터 ±10V의 전압을 줄 수 있는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 인쇄 정류기, 캐패시터와 인쇄 안테나를 통하여 슈퍼 캐패시터를 포함 전체 회로도을 구성하고 이를 인쇄 전자 디바이스에 연동하고 인쇄 전자 디바이스를 구동하는 전체 회로도 및 이를 통한 전원 공급 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 R2R 그라비아 연속 프린팅 다중 구조 슈퍼 캐패시터를 제조하는 방법에 있어서, Ag 전극 (혹은 PEDOT 전극), 카본 전극 그리고 전해질 전극을 중첩으로 인쇄하여 제조하는 단계, 전해질 잉크를 제조하는데 있어서 고분자량의 PVA와 황산을 혼합하여 이를 그라이바 잉크에 도입하는 단계를 포함한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예는 하부전극으로 PEDOT 층이 도입되어 전류 수집층으로 슈퍼 캐피시터로 구성하는 방법 및 단계를 포함하며, 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용하여 스마트폰의 NFC 신호로부터 ±10V 이상의 DC 전압을 저장하고 이를 전자디바이스에 적용(응용)하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반도체성 물질은 인쇄 가능한 IGZO 크를 기반으로 하여 인쇄 정류기를 구성하여 스마트폰의 13.56MHz의 NFC 신호를 DC 정류 전압으로 변환한 다음 이를 상기 제시된 슈퍼 캐패시터를 통하여 안정적으로 DC 정류 전압을 저장 하여 이를 디바이스를 구동하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 R2R 그라비아 연속 인쇄방식으로 제작되는 다중 구조의 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 그에 연동하는 인쇄 디바이스 구동 및 응용에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법은 R2R 그라비아 기반 슈퍼 캐패시터 전극을 인쇄하기 위해서, 우선 유연 기판인 PET(polyethylene terephthalate) 필름 혹은 PI(polyimide) 필름을 준비한다(단계 S101). 이를 R2R 그라비아 인쇄장비에 로딩한 후 인쇄를 진행할 수 있다.
다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법은 하부 전극 인쇄로는 은(Ag) 전도성 잉크로 경우에 따라서 소수성 Ag 나노파티클 잉크를 이용하여 인쇄를 진행한다(단계 S102). Ag 전도성 잉크의 점도는 800 cP 내지 1000 cP가 될 수 있으며 인쇄성을 확보하기 위해서 표면장력은 약 30 - 35 mN/m인 것을 특징으로 한다. Ag 전극이 가지는 문제점(전해질 혹은 물과 반응하여 산화, 혹은 전도성이 변화)을 보완하기 위해서 경우에 따라서 PEDOT 잉크가 하부 전극을 사용될 수 있다.
각 인쇄공정 이후에는 건조 오븐을 통하여 150 ℃에서 약 40초간 건조되도록 한다. 인쇄 속도는 주어진 잉크 조건에 따라 다르지만 기본적으로 3 m/min - 10 m/min (분당 M 기준)를 기본으로 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 PEDOT을 이용한 하부 전극은 전해질 혹은 액체 내에서 전자 이동에 대해 불활성을 가지는 상부 전극으로 전도성 카본 잉크를 이용하여 Ag 전극 위에 인쇄됨을 특징으로 한다(단계 S103). 전도성 카본 잉크의 점도는 용매인 ECA (diethylene glycol monoethyl ether acetate)를 이용하여 1600~1800 cP로 조절한다. Ag 전극이 의도치 않게 전해질 층과의 반응을 막기 위해서 카본 전극이 도입되었으며 카본 전극의 경우 Ag 전극을 완전히 덮음으로써 용액 이나 전해질로부터 발생할 수 있는 Ag의 산화를 방지하고자 한다.
다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법은 전해질 층을 인쇄하기 위해서 분자량이 높은 Mw 230,000 이상을 가진 PVA (poly(vinyl alcohol)) 혹은 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate)) 기반으로 하여 증류수 혹은 IPA (Isopropyl Alcohol)를 첨가하여 잉크를 제조하고 이를 인쇄할 수 있다(단계 S104). 전해질 잉크의 점도는 2000 ~ 3000 cP(PEDOT 기반일 경우 50 ~ 100 cP)이였으며 표면장력은 40-50 mN/m 을 가짐을 특징으로 한다. 이 단계에서 잉크젯 인쇄 혹은 스크린 인쇄를 포함 할 수 있다. 전해질 잉크를 제조하기 위해, 우선 증류수 10 g에 PVA를 1 g를 넣고 상온에서 10분간 교반을 진행한다. 이후 황산 (H2SO4) 용액 1.2g를 첨가하고 80 ℃(열중탕) 온도에서 약 6시간동안 교반을 진행한다. 6시간 교반이 지나면 젤리형태의 겔을 얻을 수 있다. 이를 이용하여 R2R 인쇄를 진행 할 수 있으며, 경우에 따라서 단일 스크린 인쇄 방식을 통하여 보다 높은 용량을 가진 캐패시터를 제작 할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다중 구조 슈퍼 캐패시터를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 구조 슈퍼 캐패시터는 유연성을 가지면서 높은 용량의 캐패시터를 얻기 위해 설계된 디자인이며 R2R 그라비아 인쇄에 적합하도록 디자인 됨을 특징으로 한다. 종래의 인쇄형 슈퍼 캐패시터의 형태의 경우는 높은 전기 용량을 저장하기 위하여 슈퍼 캐패시터의 두께를 필연적으로 증가하거나 전체적인 길이가 켜지는 단점을 가졌다. 본 발명의 일 실시예에 따른 디자인은 R2R 그라비아 인쇄를 통하여 대량으로 양산할 수 있으며, 얇고 유연성을 가지면서 높은 용량을 저장할 수 있도록 디자인됨이 특징으로 한다.
R2R 인쇄에 적합하게 그 크기와 디자인이 변경될 수 있으며 본 발명의 일 실시예에는 다음의 인쇄 패턴(원형 혹은 사각형)을 가질 수 있다. 또한, 1개의 단일 캐패시터가 아닌 5개 이상의 직렬로 연결됨에 따라 전기 용량을 높일 수 있는 장점을 가진다. 원형 패턴(도 2)의 경우, 각 원형의 지름이 1 ~ 3 mm을 가짐에 특징으로 하며, 정류기를 통하여 발생되는 +(플러스) DC 전압과 -(마이너스) DC 전압에 대해서 각각을 충전(저장)하기 위해서 중간부분에 접지선(ground line)(110)을 둘 수도 있다. 사각형 패턴(도 3)의 경우, 각 사각형의 폭은 3 ~ 5 mm를 가짐을 특징으로 하며 원형 패턴과 마찬가지로 중앙부에 접지선(110)을 가짐을 특징으로 한다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제로 제조된 R2R 인쇄 공정의 롤 이미지 및 상세 이미지와, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 R2R 그라비아를 통하여 인쇄된 슈퍼 캐패시터의 전체적인 롤 이미지(210)와 그 슈퍼 커패시터의 상세 이미지(250)가 도시되어 있다.
도 7 및 도 8에서 도시한 바와 같이, 세부적으로 본 발명의 일 실시예에서는 전도성 은(Ag) 잉크를 이용하여 기판(210) 위에 인쇄된 하부 전극(220), 하부 전극(220) 위에 카본 잉크를 이용하여 상부 전극(230)으로 중첩으로 인쇄되며, 그 위에 캐패시터 역활인 전해질 층(240) 순으로 적층 순을 가질 수 있다. 슈퍼 캐패시터의 경우 원하는 전압 및 전류에 의해서 그 수가 조절 될 수 있으며 최소 1개에서부터 10개이상의 직렬 혹은 병렬 형태로 그 구성을 달리 할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 중첩 정밀도에 따른 슈퍼 캐패시터 인쇄 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 R2R 그라비아의 중첩정밀도에 따른 슈퍼 캐패시터의 상세 이미지(260, 270)를 보여준다.
만약, 도 9의 상세 이미지(260)에 도시된 바와 같이, R2R 그라비아 장비의 중첩 정밀도가 ±20 μm 을 확보하지 못한다면 Ag 전극이 전해질에 노출됨에 따라서 덴드라이트 (dendrite, Ag 전극층이 자라면서 서로 연결되어 단선이 되는 현상) 현상이 발생하며, 이는 지속적인 전압의 충방전을 방해함에 따라서 슈퍼 캐패시터의 효율을 약화 시키는 역할을 한다.
도 10의 상세 이미지(270)에 도시된 바와 같이, 상기 상부의 카본 전극은 이러한 Ag 전극의 전해질 (혹은 외부 용액)로부터의 덴드라이트 현상을 방지해주며 높은 전도도로 인하여 캐패시터 성능을 유지하는데 중요한 역할을 수행한다. Ag의 덴드라이트 현상을 방지하기 위한 방안으로 본 발명의 일 실시예에서는 PEDOT 하부 전극층이 도입될 수 있다. PEDOT층의 역할은 전류 수집을 효과적으로 수행하면서 슈퍼 캐패시터의 충방전을 효과적으로 돕는 버퍼 (완충)역할을 수행한다. PEDOT 층의 전기 전도성을 향상하기위해 동일의 상부 전극물질은 카본 전극을 통하여 전도성을 확보 할 수 있다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ag 잉크 및 카본 잉크에 대한 물성 특성 이미지를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 14에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자잉크의 점도 및 점탄성 거동 분석 그래프를 보여준다. R2P (Roll to plate) 혹은 스크린 프린팅과 같이 단일 인쇄 단일 건조 공정이 아닌 R2R 그라비아 공정은 연속 인쇄 공정이므로 인쇄 속도, 잉크의 점탄성의 변화로 인하여 최종 인쇄물의 결과물이 달라질 수 있다. 이는 동일 품질로 대량 생산하는데 있어서 문제점으로 작용한다.
도 11은 Ag 잉크의 쉐어레이트 (shear rate)에 따른 점도의 변화 그래프를 보여주며, 도 12는 Ag 잉크의 점탄성 거동 그래프를 보여준다. 그라비아 인쇄에 사용하는 잉크는 유체이므로 쉐어레이트에 따른 점도 변화는 크게 3가지로 분류가 가능하다. 쉐어레이트가 증가할수록 점도가 증가하는 전단 농화 유체(shear-thickening fluid, STF)와 쉐어레이트가 증가할수록 점도가 감소하는 전단 농화 유체(shear-thickening fluid, STF), 그리고 쉐어레이트가 변화하지 않는 뉴턴 유체(Newtonian fluid)로 분류된다. Ag 잉크의 경우, 전단 박화(shear-thinning)의 결과를 보이며 온도가 높아질수록 점도가 낮아지는 경향을 보인다. 또한, 저장 탄성률(storage modulus)가 손실 탄성률(loss modulus)보다 작아 액체 성향 거동을 보인다. 따라서 이러한 변수를 고려하여 본 발명에서는 인쇄 속도는 3 m/min - 10 m/min이 최적이며 잉크의 점도는 800 cP 내지 1000 cP 로 고정하여 R2R 그라비아 인쇄를 진행한다.
도 13 및 도 14는 카본 블랙 잉크에 대한 쉐어레이트-점도 및 주파수-탄성률(modulus) 그래프를 보여준다. 카본 블랙 잉크의 경우 전단 박화(shear-thinning)의 결과를 보여주며 저장 탄성률(storage modulus)에서는 손실 탄성률(loss modulus)이 작음에 따라 액체 성향 거동을 보여준다. 이는 패턴롤의 회전 및 인쇄 속도에 대하여 연속적인 액체 거동을 보임에 따라 장시간의 R2R 인쇄에 적합함을 보여준다. 카본 블랙 잉크의 경우에도 해당 인쇄 속도 (3 m/min - 10 m/min)에서 최적이며 잉크의 점도는 1600~1800 cP로 최적화 한다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 실제로 제조된 R2R 인쇄 슈퍼 캐패시터의 SEM 단면도 이미지를 나타낸 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면 적층된 슈퍼 캐패시터의 단면 SEM (scanning electron microscope)이미지를 확인할 수 있다.
도 15를 참고하면, 하부 Ag 전극(S220)의 두께는 800 nm 이며 사용하는 Ag 잉크의 점도, 표면장력 및 인쇄속도에 따라서 600 ~ 900 nm의 두께를 가질 수 있다. 중첩되어 인쇄되는 상부 전극인 카본 전극(S410)의 두께는 약 1.2 um이며 이 역시 카본 잉크의 점도, 표면장력 및 인쇄속도에 따라서 0.9 - 2 um의 두께를 가질 수 있다. 이를 스크린 인쇄를 통하여 제조 할 수 있으며 스크린 인쇄의 경우 하부 Ag 전극은 6.6 μm, 상부 카본 전극은 1.0 μm의 두께로 제조 될 수 있다. 전해질 층의 경우 전해질 잉크의 점도에 따라서 1.0 -2.0 μm의 두께를 가질 수 있으며 이는 잉크의 점도, 인쇄속도 및 표면장력에 따라 달라질 수 있다.
도 16은 동일 잉크를 이용하여 스크린 인쇄를 진행한 경우이며 이는 R2R 그라비아 인쇄에 비하여 상대적으로 높은 두께를 가질 수 있다. 스크린 인쇄를 사용하여 Ag 전극을 준비할 경우 그 두께는 약 6 μm이며 카본 전극의 경우 1.0 μm를 가질 수 있다. 이 경우에도 준비되는 잉크의 점도 및 인쇄조건에 따라 그 두께가 달라 질 수 있다.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 R2R 인쇄 슈퍼 캐패시터의 산화 환원 특성 그래프, 충방전 그래프 및 임피던스 그래프를 나타낸 도면이다.
도 17 내지 도 22는 본 발명에 일 실시예에 따른 단일 및 7개의 직렬로 구성된 R2R 인쇄 슈퍼 캐패시터의 순환-전압 전류 특성 그래프, 전기 용량(충방전 그래프) 및 임프던스 그래프를 보여준다. 주사 속도(scan rate)에 대한 성능을 비교하기 위해서 주사속도 20 mV/s~100 mV/s인 조건하에서, 인가 전압의 범위 (potential window)에 0 V~ 1.5 V로 고정하여 측정하였을 시 인쇄 슈퍼 캐패시터의 순환 전압-전류 곡선 (cyclic voltammogram)은 도 17과 같으며, 7개의 직렬로 구성된 순환 전압-전류 곡선은 도 18에 묘사되었다. 단일 슈퍼 캐패시터와 직렬로 연결된 슈퍼 캐패시터로부터 전기 이중충 슈퍼 캐패시터의 특성을 보임을 확인 할 수 있다. 제작된 소자의 비축 용량은 [수학식 1]을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 qa + qc는 산화와 환원이 되는 전위를 나타내며 순환-전압-전류 곡선의 면적을 주사속도로 나누어서 구할 수 있다. m은 인쇄된 전극 활물질의 질량을 나타내며, ΔV는 인가 전압 범위의 크기를 나타낸다. 위의 [수학식 1]로부터 구해지는 특정 캐패시턴스(specific capacitance) (SP)는 5 ~ 15 mF/cm2가 되며 이는 인쇄 전자 디바이스에 충분히 전력을 공급할 정도의 용량의 수치이다.
도 19과 도 20(단일 및 7개의 직렬 연결된 형태)에서는 전류에 따른 충방전 그래프(charging-discharging graph)를 보여준다. 단일 인쇄 슈퍼 캐패시터 대비하여 7개의 슈퍼 캐패시터가 직렬로 연결된 부분에서 좀더 안정적인 충방전 그래프를 보여준다. 7개의 직렬 슈퍼 캐패시터로 구성된 샘플의 경우 0.1 mA의 전류를 10 V까지 충전하는데 있어서 약 0.1 초가 걸리며 이를 약 0.4 초 동안 전압을 유지함을 나타낸다. 또한 제안된 캐패시터 구조는 10 V까지 전압을 충전 방전이 가능함을 나타낸다. 단일 캐패시터의 경우 주어진 0.01 mA 및 0.1 mA의 전류를 10 V까지 충전하는데 많은 시간이 걸리므로 본 발명에서는 7개 이상의 직렬로 구성된 캐패시터를 제안한다.
도 21와 도 22를 참조하면 인쇄 슈퍼 캐패시터의 임피던스 측정 그래프를 보여준다. 임피던스(Impedance)는 전하전이, 저항, 전기 이중층으로 인한 임피던스, 와 버그 임피던스 (Warburg impedance)의 세가지로 구성된다. 도 21와 도 22에서 보여주듯이, 전극의 접촉 저항은 ~300 ohm를 가지고 있으며 7개의 직렬연결에서는 1 kΩ 저항을 가짐에 따라서 Si 기반 슈퍼 캐패시터 대비하여 상대적으로 높은 접촉 저항을 가진다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터를 포함한 구동 전자 디바이스의 전체 회로도 및 그 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 23 및 도 24에서 보듯이, 상기 제안된 슈퍼 캐패시터를 이용하여 인쇄 전자 디바이스를 구동하는 인쇄 전자 장치(300)의 전체 회로도(도 23)와 NFC 연동 스마트 태그 구동 이미지 (도 24)를 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 NFC 연동 스마트 태그는 스마트폰의 NFC 을 통하여 구동되는 능동형 태그로, 구동되었을 경우 인쇄 디스플레이가 깜빡이는 형태로 연동가능한 형태이다. 인쇄 능동형 태그 이외 다른 종류의 인쇄 전자 디바이스(링오실레이터, NOT gate, OR gate, NAND gate, NOR gate등)(350)는 구동이 가능하며 기본 전자회로를 응용한 스마트폰 연동 RFID 또한 응용이 가능하다.
인쇄 전자 장치(300)는 인쇄 안테나(310)를 통하여 스마트폰의 불연속적인 13.56MHz의 NFC 신호를 받는다. 인쇄 전자 장치(300)는 수신된 NFC 신호를 직류 DC 전압으로 변환하는 인쇄 정류기(320)와 인쇄 캐패시터(330)를 거쳐, 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 슈퍼 캐패시터(340)를 통하여 안정적인 DC 전압을 인쇄 전자 디바이스(350)에 공급할 수 있다.
도 24에서 보여주듯이, 인쇄 전자 장치(300)는 스마트폰의 NFC 모드를 통하여 인쇄 전자 디바이스를 구동하고 이에 대응하는 인쇄 디스플레이 (printed display)의 구동화면을 보여준다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 안테나와 정류기를 포함하는 슈퍼 캐패시터의 출력 전압 이미지를 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26은 본 발명에서 일 실시예에 따른 스마트폰의 NFC 신호와 이를 실제 충전하여 안정적인 DC 전압 (9V 이상)을 출력하는 이미지이다.
도 25에서 보듯이 스마트폰의 NFC 신호는 짧은 시간에 13.56 MHZ의 AC 전압을 송출하며, 이후 송출이 되지 않은 특징을 가진다. 이러한 불연속적인 AC 전압은 전자 디바이스에 적용할 수 없으며 정류기를 통하여 DC(직류)로 변환하더라도 전압이 송출되지 않은 구간이 존재하기 때문에 안정적인 디바이스 구동에 제한적이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 캐패시터의 경우 큰 충전 용량으로 인하여 전압이 송출되지 않은 구간에도 전압 및 전류 (파워, Power)를 저장함으로써 안정적으로 DC 전압을 구현하는데 있어서 이상적이다.
도 26에서 보듯이, 상기 슈퍼 캐패시터의 경우 상온 상압에서 4일 후에도 안정적인 거동을 보이며(410), 보다 안정적인 DC 전압을 송출 됨을 특징으로 한다. 이는 별도의 박막 코팅 공정 혹은 봉지 공정 (passivation process)이 없이 안정적으로 전압을 송출할 수 있는 이점을 가진다.
지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다. 비록 본 명세서에 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 발명의 각 단계는 반드시 기재된 순서대로 수행되어야 할 필요는 없고, 병렬적, 선택적 또는 개별적으로 수행될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 본질적인 기술사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 형태 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 구성요소를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
210: 기판
220: 하부 전극
230: 상부 전극
240: 전해질 층
300: 인쇄 전자 장치
310: 인쇄 안테나
320: 인쇄 정류기
330: 인쇄 캐패시터
340: 인쇄 슈퍼 캐패시터
350: 인쇄 전자 디바이스

Claims (24)

  1. 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아(Roll-to-roll gravure) 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 하부 전극을 인쇄하는 단계;
    제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 상부 전극을 인쇄하는 단계; 및
    전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 인쇄하는 단계를 포함하는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 잉크는,
    전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 PEDOT 전도성 잉크는,
    잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도성 잉크는,
    전도성 카본(Carbon) 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는,
    잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 잉크는,
    PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조되는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터 제조 방법.
  9. 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 하부 전극;
    제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 상부 전극; 및
    전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 포함하는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전도성 잉크는,
    전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 PEDOT 전도성 잉크는,
    잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전도성 잉크는,
    전도성 카본(Carbon) 잉크인, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는,
    잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가지는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 전해질 잉크는,
    PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조되는, 롤투롤 그라비아 연속 프린팅을 이용한 다중 구조 슈퍼 캐패시터.
  17. 인쇄 전자 디바이스;
    불연속적인 근거리 무선 통신 신호를 수신하는 인쇄 안테나;
    상기 수신된 근거리 무선 통신 신호를 직류 전압으로 변환하는 인쇄 정류기 및 인쇄 캐패시터; 및
    상기 변환된 직류 전압을 저장하고 상기 저장된 직류 전압을 상기 인쇄 전자 디바이스에 공급하여 상기 인쇄 전자 디바이스를 구동시키는 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 포함하고,
    상기 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터는, 제1 전도성 잉크를 이용하여 유연 기판 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 하부 전극과, 제2 전도성 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 하부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 상부 전극과, 전해질 잉크를 이용하여 상기 인쇄된 상부 전극 위에 롤투롤 그라비아 인쇄 공정을 통해 인쇄되는 슈퍼 캐패시터의 전해질 층을 포함하는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전도성 잉크는,
    전도성 은(Ag) 잉크 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 전도성 잉크인, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    은(Ag) 나노파티클을 기반으로 하는 전도성 은(Ag) 잉크인, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전도성 은(Ag) 잉크는,
    잉크점도 800 내지 1,000 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가지는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 PEDOT 전도성 잉크는,
    잉크점도 10 내지 30 cP와 표면장력 35 mN/m을 가지는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제2 전도성 잉크는,
    전도성 카본(Carbon) 잉크인, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전도성 카본(Carbon) 잉크는,
    잉크 점도 1600 내지 1800 cP와 표면장력 35 내지 37 mN/m을 가지는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 전해질 잉크는,
    PVA(poly(vinyl alcohol)) 또는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrene sulfonate))를 기반으로 하여 황산 수용액을 혼합하여 제조되거나, PMMA(polymethyl methacrylate)와 LiTFSI(Bis(trifluoro methane)sulfonamide lithium slat))를 혼합한 형태로 제조되는, 다중 구조의 인쇄 슈퍼 캐패시터를 이용한 전자 장치.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100110113A (ko) * 2009-04-02 2010-10-12 삼성전기주식회사 그라비아 인쇄장치
KR20120009612A (ko) * 2010-07-19 2012-02-02 롯데알미늄 주식회사 전도성 향상액 및 이를 이용하여 그라비아 인쇄법으로 도전배선을 형성하는 방법
KR20140100630A (ko) * 2013-02-06 2014-08-18 (주) 파루 인쇄 박막전지의 제조방법과 이에 따라 제조된 인쇄 박막전지
KR20150122320A (ko) * 2014-04-22 2015-11-02 한국전자통신연구원 커패시터 및 이의 제조 방법
KR20200076252A (ko) * 2018-12-19 2020-06-29 성균관대학교산학협력단 Nfc 태그에 구비된 인쇄 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 인쇄 슈퍼 캐패시터를 포함하는 nfc 태그 제조 방법
KR20200101473A (ko) * 2018-01-16 2020-08-27 프린티드 에너지 피티와이 리미티드 박막-기반 에너지 저장 장치
KR102191930B1 (ko) * 2019-06-28 2020-12-16 전북대학교산학협력단 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100110113A (ko) * 2009-04-02 2010-10-12 삼성전기주식회사 그라비아 인쇄장치
KR20120009612A (ko) * 2010-07-19 2012-02-02 롯데알미늄 주식회사 전도성 향상액 및 이를 이용하여 그라비아 인쇄법으로 도전배선을 형성하는 방법
KR20140100630A (ko) * 2013-02-06 2014-08-18 (주) 파루 인쇄 박막전지의 제조방법과 이에 따라 제조된 인쇄 박막전지
KR20150122320A (ko) * 2014-04-22 2015-11-02 한국전자통신연구원 커패시터 및 이의 제조 방법
KR20200101473A (ko) * 2018-01-16 2020-08-27 프린티드 에너지 피티와이 리미티드 박막-기반 에너지 저장 장치
KR20200076252A (ko) * 2018-12-19 2020-06-29 성균관대학교산학협력단 Nfc 태그에 구비된 인쇄 슈퍼 캐패시터 제조 방법 및 인쇄 슈퍼 캐패시터를 포함하는 nfc 태그 제조 방법
KR102191930B1 (ko) * 2019-06-28 2020-12-16 전북대학교산학협력단 슈퍼 커패시터 및 3차원 직접 인쇄를 이용한 그 제조 방법

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